GDX500 軟盒包裝機(jī)組負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

馬 立，李 軍，桑 叢，徐仕瑞，呂小波，聶 鑫，李承華，徐 靖

紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠，云南省玉溪市紅塔區(qū)紅塔大道118 號(hào)653100

商標(biāo)紙是識(shí)別卷煙品牌、承擔(dān)品牌內(nèi)涵、展現(xiàn)卷煙檔次感的主要標(biāo)志［1-2］，其成型質(zhì)量直接影響卷煙包裝質(zhì)量［3］。但在卷煙小盒包裝過(guò)程中，因商標(biāo)紙輸送至成型系統(tǒng)時(shí)定位不精準(zhǔn)，容易出現(xiàn)商標(biāo)紙搭口錯(cuò)位、商標(biāo)紙破損及煙盒阻塞通道等問(wèn)題，造成機(jī)組故障停機(jī)，影響設(shè)備運(yùn)行效率。為提高商標(biāo)紙成型質(zhì)量，鄧永祥等［4］采用齒形吸風(fēng)帶嚙合傳動(dòng)技術(shù)對(duì)商標(biāo)紙加速輸送裝置進(jìn)行改進(jìn)，解決了加厚商標(biāo)紙輸送過(guò)程中存在的商標(biāo)紙歪斜或輸送不到位等問(wèn)題；楊明權(quán)等［5］針對(duì)YB25 軟盒包裝機(jī)組設(shè)計(jì)了一種冷熱膠組合噴涂裝置，解決了軟盒硬化卷煙商標(biāo)紙搭口開(kāi)膠等問(wèn)題；蔣景強(qiáng)［6］通過(guò)增加反射式光纖檢測(cè)器對(duì)商標(biāo)紙定位檢測(cè)器進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)商標(biāo)紙錯(cuò)位煙盒的有效剔除；湯達(dá)偉［7］對(duì)YB25軟盒包裝機(jī)組的商標(biāo)紙輸送裝置進(jìn)行改進(jìn)，解決了商標(biāo)紙阻塞和歪斜等問(wèn)題；王勇等［8］采用雙圓柱凸輪驅(qū)動(dòng)差動(dòng)輪系的方法對(duì)YB28軟盒包裝機(jī)組的商標(biāo)紙供料裝置進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了商標(biāo)紙的高速取紙；鄧梅東［9］對(duì)GDX1包裝機(jī)組上膠機(jī)構(gòu)的膠輥和膠輥軸進(jìn)行改進(jìn)，改善商標(biāo)紙上膠質(zhì)量。但上述研究及改進(jìn)未能有效解決包裝機(jī)組小盒成型過(guò)程中商標(biāo)紙精準(zhǔn)定位等問(wèn)題。為此，以GDX500軟盒包裝機(jī)組為對(duì)象，設(shè)計(jì)一種負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)，利用負(fù)壓吸風(fēng)將小盒成型過(guò)程中的商標(biāo)紙固定，實(shí)現(xiàn)商標(biāo)紙精準(zhǔn)定位，以期提高機(jī)組運(yùn)行效率，降低卷煙生產(chǎn)消耗。

1 問(wèn)題分析

商標(biāo)紙成型系統(tǒng)主要由二號(hào)輪、三號(hào)輪、接紙定位器和折疊臂等組成，見(jiàn)圖1。二號(hào)輪4 和三號(hào)輪2的直徑和轉(zhuǎn)速相等但轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，輪上均勻分布的16 個(gè)模盒用于承載煙盒7；當(dāng)二號(hào)輪和三號(hào)輪間歇轉(zhuǎn)動(dòng)至兩個(gè)模盒位置相對(duì)時(shí)，商標(biāo)紙3和二號(hào)輪模盒中的煙盒在推煙板6和接煙板10的夾持作用下進(jìn)入三號(hào)輪模盒中完成商標(biāo)紙的成型；商標(biāo)紙成型前由接紙定位器8進(jìn)行定位，成型過(guò)程中由折疊臂9和弧形板1配合完成折疊成型。推煙板由安裝在二號(hào)輪齒輪箱上的推煙桿5驅(qū)動(dòng)，接煙板由安裝在三號(hào)輪齒輪箱上的接煙桿11驅(qū)動(dòng)。商標(biāo)紙和煙盒被推入三號(hào)輪模盒時(shí)，為避免煙支產(chǎn)生變形，接煙板和推煙板的夾持力較小，故無(wú)法對(duì)商標(biāo)紙進(jìn)行有效定位。商標(biāo)紙定位不精準(zhǔn)容易導(dǎo)致輸送通道阻塞或成型后商標(biāo)紙錯(cuò)位，甚至出現(xiàn)商標(biāo)紙破損及煙盒阻塞通道現(xiàn)象，造成故障停機(jī)，降低設(shè)備生產(chǎn)效率。

圖1 商標(biāo)紙成型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of label folding system

2 改進(jìn)方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)由分氣板、中空連桿以及空腔接煙板等組成，通過(guò)底座安裝于三號(hào)輪齒輪箱上，見(jiàn)圖2。分氣板3 通過(guò)銷(xiāo)軸10 和導(dǎo)氣銷(xiāo)9 分別與底座2和中空連桿4連接，連桿末端與空腔接煙板5連接。底座上設(shè)置有負(fù)壓接頭11，連接主機(jī)負(fù)壓氣源并通過(guò)底座內(nèi)部氣路16 將負(fù)壓輸送至弧形分氣槽14。接煙桿7 驅(qū)動(dòng)空腔接煙板做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)分氣板在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)分氣板進(jìn)氣孔13 與弧形分氣槽重合時(shí)，內(nèi)部氣路打開(kāi)，負(fù)壓由分氣板內(nèi)部氣路12 經(jīng)中空的導(dǎo)氣銷(xiāo)和連桿進(jìn)入空腔接煙板，最后通過(guò)橡膠塊6 上的負(fù)壓吸孔將商標(biāo)紙固定，避免商標(biāo)紙?jiān)诔尚瓦^(guò)程中發(fā)生偏移；當(dāng)分氣板進(jìn)氣孔與弧形分氣槽錯(cuò)位時(shí)，內(nèi)部負(fù)壓氣路斷開(kāi)，避免能源浪費(fèi)。連接分氣板和底座的銷(xiāo)軸上安裝有彈簧17，通過(guò)卡簧完成彈簧限位，將分氣板與底座壓緊，避免分氣板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)生漏氣現(xiàn)象；連桿兩端銷(xiāo)孔內(nèi)設(shè)置有黃銅套23，提升中空連桿銷(xiāo)孔的耐磨性［10］。

圖2 負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of vacuum cigarette receiver mechanism

2.2 分氣槽角度確定

2.2.1 負(fù)壓相位設(shè)計(jì)

如圖3 所示，二號(hào)輪推煙板在包裝機(jī)相位（以下簡(jiǎn)稱(chēng)相位）為80°時(shí)向外運(yùn)動(dòng)，相位為135°時(shí)與煙盒接觸，相位為290°時(shí)達(dá)到最大行程（此時(shí)煙盒被完全推入三號(hào)輪模盒內(nèi)），相位為310°時(shí)開(kāi)始縮回，相位為60°時(shí)達(dá)到最小行程；三號(hào)輪空腔接煙板在相位為30°時(shí)向外運(yùn)動(dòng)，相位為160°時(shí)達(dá)到最大行程，相位為170°時(shí)與商標(biāo)紙接觸并開(kāi)始縮回，相位為290°時(shí)與商標(biāo)紙分離，相位為20°時(shí)返回最小行程；二號(hào)輪及三號(hào)輪在相位100°～120°間發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，空腔接煙板接觸商標(biāo)紙時(shí)（相位為170°）負(fù)壓打開(kāi)，輸送完成時(shí)（相位為290°）負(fù)壓切斷。因此，分氣板要保證相位處于170°～290°范圍內(nèi)時(shí)氣路暢通，其余相位氣路關(guān)閉。

圖3 二號(hào)輪和三號(hào)輪運(yùn)行相位圖Fig.3 Operation phases of wheels No.2 and No.3

2.2.2 負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

如圖4 所示，以點(diǎn)O 代表三號(hào)輪齒輪箱端蓋與接煙桿相交點(diǎn)，點(diǎn)A、B、C 分別代表負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)中3 個(gè)銷(xiāo)孔中心位置，繪制負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖［11-12］。其中，O點(diǎn)和A點(diǎn)為固定點(diǎn)，B點(diǎn)和C點(diǎn)位置可變，A、B點(diǎn)間距離和B、C點(diǎn)間距離固定。根據(jù)余弦定理和正切定理，計(jì)算可得AB連線與水平方向的夾角α：

圖4 負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of movement of vacuum cigarette receiver mechanism

式中：a、c、x、y、h 為定值，分別為85、50、35、15、45 mm；b和l隨分氣板的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，mm。

已知相位為170°和290°時(shí)，l 分別為13.5 mm 和78.8 mm，代入公式（1）可得α分別為73.2°和24.4°。因此，AB 連線隨分氣板轉(zhuǎn)動(dòng)角度（即分氣板進(jìn)氣孔的轉(zhuǎn)動(dòng)角度）為73.2°-24.4°=48.8°，由此確定底座上弧形分氣槽的角度為48.8°。

2.3 負(fù)壓壓強(qiáng)確定

如圖5所示，由主機(jī)接入的負(fù)壓氣源經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾和調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓強(qiáng)后接入底座，利用壓力表檢測(cè)氣壓大小。由于煙盒進(jìn)入三號(hào)輪模盒過(guò)程中，模盒對(duì)商標(biāo)紙的動(dòng)摩擦力受模盒磨損、積膠等因素的影響，難以準(zhǔn)確計(jì)算負(fù)壓壓強(qiáng)。為此，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥并記錄不同壓強(qiáng)下商標(biāo)紙發(fā)生偏移次數(shù)，并統(tǒng)計(jì)商標(biāo)紙偏移率，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，負(fù)壓壓強(qiáng)為0.04 MPa時(shí)，商標(biāo)紙偏移率最低，為0.2%；負(fù)壓過(guò)小或過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致商標(biāo)紙偏移率上升。因此，負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)接入的負(fù)壓氣源最適壓強(qiáng)為0.04 MPa。

表1 不同負(fù)壓壓強(qiáng)下商標(biāo)紙偏移率Tab.1 Position deviation of label under different vacuum pressures

圖5 負(fù)壓氣路圖Fig.5 Circuit of negative pressure air

2.4 仿真驗(yàn)證

利用SOLIDWORKS 軟件（法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司）建立負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)3D 模型并開(kāi)展運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，由接煙桿驅(qū)動(dòng)的分氣板及連桿運(yùn)動(dòng)順暢，分氣槽角度設(shè)計(jì)與氣路通斷相匹配，能夠滿足負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)在相位170°～290°范圍內(nèi)時(shí)氣路暢通而其余相位氣路關(guān)閉的要求（圖6），實(shí)現(xiàn)對(duì)商標(biāo)紙的精準(zhǔn)定位。

圖6 負(fù)壓?jiǎn)⑼Ｏ辔粓DFig.6 Phases of negative pressure start and stop

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“玉溪（軟）”牌卷煙［紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司玉溪卷煙廠提供］。

設(shè)備：GDX500軟盒包裝機(jī)組（包括X500小盒包裝機(jī)、C600 小盒透明紙包裝機(jī)、CT 條盒紙包裝機(jī)、CV條盒透明紙包裝機(jī)，意大利GD公司）。

方法：GDX500 軟盒包裝機(jī)組生產(chǎn)速度為500包/min，三班制運(yùn)行，每天生產(chǎn)20 h，每周運(yùn)行5 d。將生產(chǎn)中由CCD 檢測(cè)器剔除的商標(biāo)紙錯(cuò)位及變形煙盒、商標(biāo)紙或煙盒阻塞停機(jī)清理的煙盒視為不合格品。統(tǒng)計(jì)負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)應(yīng)用前后商標(biāo)紙或煙盒阻塞機(jī)組次數(shù)以及不合格煙盒數(shù)量，并根據(jù)公式（2）計(jì)算機(jī)組運(yùn)行效率。統(tǒng)計(jì)時(shí)間為3 周，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2 可見(jiàn)，應(yīng)用負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)后，GDX500軟盒包裝機(jī)組運(yùn)行效率由81.97%提升至87.39%，增幅5.42 百分點(diǎn)；商標(biāo)紙或煙盒阻塞次數(shù)由10.4 次/d減少至1.1次/d，降幅89%；不合格品率從0.47%降低至0.35%，降幅0.12百分點(diǎn)。說(shuō)明負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)的使用有效提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)減少了卷煙生產(chǎn)消耗。

表2 負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)應(yīng)用前后機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和廢品率①Tab.2 Operation data and unqualified cigarette packet rate before and after application of vacuum cigarette receiver mechanism

4 結(jié)論

在GDX500軟盒包裝機(jī)組商標(biāo)紙成型系統(tǒng)中設(shè)計(jì)并安裝一種負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)，利用負(fù)壓吸風(fēng)對(duì)小盒成型過(guò)程中的商標(biāo)紙進(jìn)行精準(zhǔn)定位，解決了因商標(biāo)紙錯(cuò)位而導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)和不合格品率高等問(wèn)題。以玉溪卷煙廠生產(chǎn)的“玉溪（軟）”牌卷煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：應(yīng)用負(fù)壓接煙板機(jī)構(gòu)后，商標(biāo)紙或煙盒阻塞機(jī)組次數(shù)由10.4 次/d 減少至1.1 次/d，機(jī)組運(yùn)行效率提高5.42 百分點(diǎn)，不合格品率降低0.12 百分點(diǎn)。該技術(shù)可在GDX1、GDX6S 等包裝機(jī)組中推廣應(yīng)用。